Objectifs scientifiques
Au CERN, les scientifiques utilisent des accélérateurs de particules, immenses et complexes, pour comprendre les particules fondamentales et les lois qui les régissent. Le Futur collisionneur circulaire (FCC) prendrait le relais et irait encore plus loin que ses prédécesseurs.
À l’heure actuelle, nous ne connaissons que 5 % de l’Univers, décrits dans une théorie très robuste appelée le Modèle standard de la physique des particules. Sa dernière pièce manquante, le boson de Higgs, a été découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC), collisionneur phare du CERN. Cette découverte a ouvert un nouveau chapitre dans notre compréhension de l’Univers. Préparez-vous à l’explorer !
Le FCC ouvrirait une nouvelle ère de précision en physique des particules. À titre de comparaison, on pourrait dire que le LHC et le LHC à haute luminosité ont été conçus pour découvrir un nouveau continent et cartographier son littoral, tandis que le FCC serait capable d’explorer son territoire en détail, révélant des structures et des phénomènes jusqu’alors invisibles.
Le boson de Higgs : enquête sur la masse
C’est le boson de Higgs qui confère une masse à toutes les autres particules. Il a été découvert par les expériences ATLAS et CMS en 2012, près de cinquante ans après avoir été prédit par la théorie. Nous avons à peine commencé à l’étudier en détail.
Comprendre ses propriétés fondamentales est l’un des objectifs des expériences qui seront menées grâce au FCC. Le FCC produira plus de deux millions de bosons de Higgs, permettant aux scientifiques de mesurer ses propriétés avec une précision dix fois supérieure à celle du LHC. L’objectif est de déterminer si cette particule est vraiment élémentaire, ou si elle recèle une structure plus complexe.
Lié à plusieurs des plus grands mystères de la physique, le boson de Higgs restera dans les prochaines années un important objet d’étude pour les expérimentateurs comme pour les théoriciens.
Étudier les lois de l’Univers
Le Modèle standard est la meilleure description que nous ayons du fonctionnement de l’Univers aux plus petites échelles. Jusqu’à présent, il a résisté à tous les examens, mais nous savons qu’à lui seul, il n’explique pas tout : il ne permet pas de comprendre la matière noire ni pourquoi l’Univers est constitué de matière plutôt que d’antimatière, et prédit que les neutrinos ne devraient pas avoir de masse (alors qu’ils en ont une). Le FCC testerait de nombreux éléments du Modèle standard avec une précision jusqu’à 50 fois élevée qu’auparavant. Les scientifiques pourraient ainsi trouver la moindre faille susceptible de révéler la nouvelle théorie, plus complète, que nous recherchons.
L’Univers contient-il de la matière noire ?
Tout ce que nous pouvons observer – notre corps, la Terre, les étoiles, les galaxies – ne représente que 5 % de l’Univers. La matière noire en représente 27 % : elle maintient les galaxies grâce à son attraction gravitationnelle, mais elle n’a jamais été observée en laboratoire ou avec un télescope.
La matière noire est constituée de particules encore inconnues, mais les énormes volumes de données du FCC, issus de millions de milliards de désintégrations de particules, donneront aux scientifiques une chance unique de découvrir ces particules, soit en les produisant directement, soit en repérant les particules dites « messagères » qui relient le monde de la matière noire au nôtre.
L’énigme de l’antimatière : comment se fait-il que nous existions ?
Il y a près de 14 milliards d’années, lors du Big Bang, qui a donné naissance à l’Univers tel que nous le connaissons, matière et antimatière ont été créées en quantités égales. Pourtant, aujourd’hui, l’Univers n’est plus constitué que de matière, et l’antimatière n’est visible nulle part. Où l’antimatière est-elle passée ? Cette question est l’une des plus importantes des questions qui restent en suspens. L’origine de l’asymétrie matière-antimatière dans le cosmos est l’énigme la plus complexe que la physique des particules tente de résoudre.
Le FCC fournira des informations inédites sur les propriétés des particules susceptibles d’expliquer ce qui s’est passé juste après le Big Bang.
Les neutrinos et l’énigme de leur masse
D’après le Modèle standard de la physique des particules, les neutrinos n’ont pas de masse. Et pourtant, ils en ont une. Cette découverte, qui a valu aux scientifiques qui l’ont mise au jour le prix Nobel de physique 2015, constitue une première faille dans le Modèle standard.
Cette faille ne suffit toutefois pas à faire voler en éclat le Modèle standard, mais nous ne savons toujours pas ce qui génère l’infime masse des neutrinos. Le FCC, grâce à ses mesures extrêmement précises, pourrait permettre de faire la lumière sur ce sujet, voire de résoudre l’énigme de l’asymétrie matière-antimatière.
Territoires inconnus
Grâce au FCC, il serait également possible de mener des études sur la particule connue la plus lourde, le quark top, qui joue un rôle fondamental dans la compréhension de nombreux processus à l’œuvre dans l’Univers.
Les mesures de haute précision du quark top sont un excellent outil pour chercher d’infimes traces d’une nouvelle physique au-delà du Modèle standard, qui décrit notre connaissance actuelle (certainement incomplète) de l’Univers.
